Pound per Square Inch

Das Pfund pro Quadratzoll (Symbol: psi oder lbf/in²) ist eine Druckeinheit im imperialen und US-amerikanischen Maßsystem. Es wird definiert als der Druck, der durch eine Kraft von einem Pfund-Kraft auf eine Fläche von einem Quadratzoll ausgeübt wird. In SI-Einheiten entspricht 1 psi ungefähr 6.894,757 Pascal (6,894757 Kilopascal).

Die psi-Einheit beruht auf der Pfund-Kraft, die als die Kraft definiert ist, die die Schwerkraft auf eine Masse von einem avoirdupois Pfund bei der Standardbeschleunigung der Schwerkraft (9,80665 m/s²) ausübt. Eine Pfund-Kraft entspricht genau 4,4482216152605 Newton. Kombiniert mit dem Quadratzoll (645,16 mm² genau) ergibt sich die präzise Umrechnung: 1 psi = 6,894,757293168 Pascal.

Mess- und Absolutdruck

Druckmessungen in psi können als Messdruck (psig) ausgedrückt werden, der den Druck relativ zum Umgebungsdruck misst, oder als Absolutdruck (psia), der den Druck relativ zum perfekten Vakuum misst. Der Standardluftdruck auf Meereshöhe beträgt ungefähr 14,696 psi (101,325 kPa). Der Unterschied zwischen psig und psia ist in technischen Anwendungen entscheidend — wenn jemand von "32 psi" für den Reifendruck spricht, meint er 32 psig, was bedeutet, dass der interne Absolutdruck des Reifens ungefähr 46,7 psia beträgt.

Verwandte Vielfache

Verwandte Einheiten sind ksi (Kilopfund pro Quadratzoll, gleich 1.000 psi), die in der Materialwissenschaft und im Bauingenieurwesen zur Angabe der Zugfestigkeit und der Streckgrenze verwendet werden, und Mpsi (Megapfund pro Quadratzoll, gleich 1.000.000 psi), die gelegentlich zur Angabe des elastischen Moduls von steifen Materialien verwendet wird. Diese Vielfachen folgen derselben Kraft-pro-Fläche-Definition, drücken jedoch größere Größen bequemer aus.

Ein beschreibender Name

Der Begriff "Pfund pro Quadratzoll" ist ein transparent beschreibender Begriff, der die Einheit genau so benennt, wie sie definiert ist: eine Kraft, die in Pfund gemessen wird, die auf eine Fläche angewendet wird, die in Quadratzoll gemessen wird. Im Gegensatz zu den meisten Maßeinheiten, die Namen aus dem Lateinischen, Griechischen oder von Wissenschaftlern abgeleitet haben, ist "psi" einfach die Abkürzung seiner englischen Beschreibung. Die Abkürzung "psi" (alles klein geschrieben) wurde im 19. Jahrhundert zur standardisierten Kurzschrift, als die Einheit in der Industrie weit verbreitet wurde.

Herkunft der Komponentenwörter

Die Komponentenwörter haben tief verwurzelte etymologische Ursprünge. "Pfund" stammt vom Lateinischen "libra pondo" (ein Pfund nach Gewicht), was auch zur Abkürzung "lb" und dem Pfundzeichen (£) führte. "Quadrat" kommt vom Altfranzösischen "esquarre," letztlich vom Lateinischen "exquadrare" (quadratisch machen). "Zoll" stammt vom Lateinischen "uncia" (ein Zwölftel), wie im Artikel über Zoll besprochen. Zusammen bilden sie einen Einheitennamen, der von jedem englischsprachigen Sprecher ohne spezielles Wissen leicht verstanden wird.

Ein Akronym unter Symbolen

Die Verwendung von "psi" als Abkürzung ist bemerkenswert, da es eines der wenigen Maßeinheitensymbole ist, das ein Akronym und kein aus einem Eigennamen oder einer griechischen/lateinischen Wurzel abgeleitetes Symbol ist. Während das Pascal (Pa) Blaise Pascal ehrt, stammt das Bar vom griechischen "baros" (Gewicht), und die Atmosphäre (atm) beschreibt ein physikalisches Phänomen, ist "psi" einfach die Initialen seiner komponenten englischen Wörter. Die alternative Notation "lbf/in²" wird manchmal in technischen Texten verwendet, um zu betonen, dass das betreffende Pfund die Pfund-Kraft (lbf) und nicht die Pfund-Masse (lbm) ist.

Frühe Wissenschaft des Drucks

Das Konzept, Druck als Kraft pro Flächeneinheit zu messen, geht auf das 17. Jahrhundert zurück, als Wissenschaftler wie Evangelista Torricelli und Blaise Pascal die Studie des Fluiddrucks und des atmosphärischen Drucks vorantrieben. Torricelli erfand 1643 das Quecksilberbarometer und demonstrierte, dass der atmosphärische Druck eine Quecksilbersäule von ungefähr 760 mm Höhe unterstützen konnte. Pascals Experimente in den 1640er und 1650er Jahren, einschließlich seines berühmten Experiments mit den Druckunterschieden in verschiedenen Höhen auf dem Puy de Dôme im Jahr 1648, legten die grundlegenden Prinzipien der Druckübertragung in Fluiden fest.

Die Industrielle Revolution und Dampfkraft

Das Pfund pro Quadratzoll als spezifische Einheit entstand natürlich aus dem britischen imperialen System während der industriellen Revolution. Als Dampfmaschinen im späten 18. und frühen 19. Jahrhundert zentral für die industrielle Energieversorgung wurden, benötigten Ingenieure eine praktische Einheit zur Messung des Dampfdrucks in Kesseln und Zylindern. Das psi — unter Verwendung des vertrauten Pfunds und Zolls — wurde zur Standardwahl für englischsprachige Ingenieure. James Watt und andere Pioniere der Dampfmaschine gaben ihre Kesseldrücke in Pfund pro Quadratzoll an.

Die Erfindung des Bourdon-Rohr-Druckmessgeräts durch Eugene Bourdon im Jahr 1849 war ein entscheidender Moment in der Geschichte der Druckmessung. Das Bourdon-Messgerät bot ein einfaches, zuverlässiges und kostengünstiges mechanisches Instrument zur Druckmessung und wurde in englischsprachigen Ländern universell in psi kalibriert. Das Design des Bourdon-Messgeräts — ein gekrümmtes Metallrohr, das sich unter internem Druck gerade macht und einen Zeiger über ein Zifferblatt bewegt — wird bis heute nahezu unverändert verwendet, und viele moderne Bourdon-Messgeräte zeigen weiterhin den Druck in psi an.

Ingenieurstandards und Sicherheitsvorschriften

Im 19. Jahrhundert, als die Industrialisierung an Fahrt gewann, wurde psi in Ingenieurstandards für Kesselsicherheit, Rohrbewertungen, Ventilspezifikationen und strukturelle Berechnungen verankert. Die American Society of Mechanical Engineers (ASME), die 1880 gegründet wurde, hauptsächlich als Antwort auf Kesselexplosionen, entwickelte umfassende Druckbehältercodes unter Verwendung von psi als primäre Einheit. Diese Codes, insbesondere der ASME Boiler and Pressure Vessel Code (erstmals veröffentlicht 1914), wurden zur Grundlage für die industrielle Sicherheitsregulierung in den Vereinigten Staaten und beeinflussten Standards weltweit.

Im 20. Jahrhundert festigte die Automobil- und Luftfahrtindustrie psi weiter in der amerikanischen Ingenieurgemeinschaft. Reifendruckspezifikationen, Drücke in hydraulischen Systemen und Bewertungen pneumatischer Werkzeuge wurden alle in psi standardisiert. Die Öl- und Gasindustrie verwendete psi für Bohrlochdrücke, Reservoirdrücke und Betriebsdrücke von Pipelines, was eine umfangreiche Datenbasis und Standards in psi schuf.

Der Pascal, das Bar und die Metrisierung

Die SI-Einheit für Druck, das Pascal (Pa), wurde 1971 von der 14. Generalversammlung für Maß und Gewicht (CGPM) angenommen, benannt nach Blaise Pascal in Anerkennung seiner Beiträge zum Verständnis des Drucks. Die meisten Länder nahmen anschließend das Pascal und seine Vielfachen (Kilopascal, Megapascal) oder das Bar (100.000 Pa) für die Druckmessung an. Dennoch hat sich psi in den Vereinigten Staaten und in mehreren globalen Industrien, insbesondere im Öl- und Gassektor, bemerkenswert gegen eine Ablösung behauptet, da jahrzehntelange Ingenieurdaten, Sicherheitscodes und Betriebserfahrungen in psi angegeben sind.

Das Bar (genau 100.000 Pa) hat sich in vielen internationalen Kontexten als Alternative zu psi etabliert. Eingeführt von dem britischen Meteorologen Vilhelm Bjerknes im Jahr 1909, gewann das Bar an Popularität aufgrund seiner praktischen Beziehung zum atmosphärischen Druck (1 atm ≈ 1,01325 bar). Heute ist das Bar die standardisierte Druckeinheit in Kontinentaleuropa für Anwendungen wie Reifendruck, Tauchen und industrielle Hydraulik, während psi in den Vereinigten Staaten dominiert.

Im medizinischen Bereich wird der Blutdruck in den Vereinigten Staaten in Millimetern Quecksilber (mmHg) gemessen, nicht in psi, obwohl beide keine SI-Einheiten sind. Ein typischer Blutdruckwert von 120/80 mmHg entspricht ungefähr 2,32/1,55 psi — Werte, die für die klinische Verwendung in psi zu klein und ungewohnt sind. Dies zeigt, wie verschiedene Druckeinheiten in spezifischen Anwendungen basierend auf der typischen Größe der auftretenden Drücke ihre Nischen gefunden haben.

Reifendruck

PSI ist die standardisierte Einheit zur Druckmessung in den Vereinigten Staaten in einer Vielzahl von Anwendungen. Der Reifendruck für Automobile wird typischerweise mit 30-35 psi für Personenkraftwagen angegeben, wobei die genaue Empfehlung auf einem Schild im Türrahmen des Fahrers und im Benutzerhandbuch aufgedruckt ist. Leichte Lkw-Reifen benötigen möglicherweise 40-80 psi, Rennradreifen 80-130 psi und Mountainbike-Reifen 30-50 psi. Das Reifendrucküberwachungssystem (TPMS), das seit 2007 in allen neuen US-Fahrzeugen Pflicht ist, warnt die Fahrer, wenn der Reifendruck unter einen Schwellenwert fällt, typischerweise etwa 25% unter dem empfohlenen psi-Wert.

Industrielle Anwendungen

In der Industrie wird psi für Drücke in hydraulischen Systemen verwendet (industrielle hydraulische Systeme arbeiten typischerweise bei 1.000-5.000 psi, einige erreichen 10.000 psi oder mehr), für Bewertungen pneumatischer Werkzeuge (Luftkompressoren für Werkstätten liefern typischerweise 90-150 psi), für Druckbehälterspezifikationen und für Pipeline-Drucke. Die Öl- und Gasindustrie verwendet psi umfassend, wobei die Bohrlochdrücke von einigen Hundert psi für flache Brunnen bis über 15.000 psi für tiefe Hochdruckbrunnen reichen. ASME-Druckbehältercodes und ANSI-Rohrdruckbewertungen (Klasse 150, 300, 600 usw.) sind grundlegend in psi definiert.

Verwendung im Vereinigten Königreich und Europa

Im Vereinigten Königreich werden Reifendrücke häufig sowohl in psi als auch in bar auf Fahrzeugplaketten angegeben. Britische Fahrer sind mit beiden Einheiten vertraut, und Reifendruckmesser, die im Vereinigten Königreich verkauft werden, zeigen typischerweise beide Skalen an. Der Wasserdruck in der britischen Hausinstallation wird oft in bar diskutiert (typischer Wasserdruck im britischen Versorgungsnetz liegt bei 1-3 bar oder etwa 14,5-43,5 psi). Die meisten anderen europäischen Länder verwenden ausschließlich bar oder Kilopascal für verbraucherorientierte Druckmessungen.

Die Tauchindustrie verwendet je nach Region unterschiedliche Einheiten: Amerikanische Taucher und Tauchgeschäfte verwenden psi für den Zylinderdruck (ein typischer Aluminium-80-Tank wird auf 3.000 psi gefüllt), während europäische und die meisten internationalen Tauchoperationen bar verwenden (ungefähr 200-232 bar für einen vollen Tank). Tauchcomputer und -messgeräte, die in den USA verkauft werden, zeigen psi an, während die für internationale Märkte bar anzeigen. Diese regionale Trennung erstreckt sich auch auf Tauchplanungs Tabellen und Schulungsmaterialien.

Reifendruckprüfungen

Für die meisten Amerikaner ist die primäre Begegnung mit psi der Reifendruck. Das Ritual der Überprüfung des Reifendrucks — sei es an einer Luftpumpe an einer Tankstelle, mit einem Handmessgerät oder über das integrierte TPMS-Display des Fahrzeugs — umfasst das Ablesen und Interpretieren von psi-Werten. Der empfohlene Druck für einen typischen PKW-Reifen liegt bei 30-35 psi, wenn er kalt ist (vor dem Fahren), und eine Über- oder Unterinflation um nur 5 psi kann den Kraftstoffverbrauch, den Reifenverschleiß und das Handling beeinflussen. Der Penny-Test für die Profiltiefe von Reifen und die psi-Prüfung für den Druck sind die beiden am häufigsten empfohlenen DIY-Wartungsaufgaben in den USA.

Haushaltsanwendungen

Über die Automobilnutzung hinaus erscheint psi in mehreren Haushaltskontexten. Hochdruckreiniger zur Reinigung von Einfahrten, Terrassen und Fahrzeugen sind in psi bewertet — Verbraucher Modelle liefern typischerweise 1.300-2.800 psi, während gewerbliche Hochdruckreiniger über 4.000 psi erreichen können. Der Wasser Druck im US-Haushalt liegt typischerweise zwischen 40 und 80 psi, wobei der ideale Bereich 50-70 psi beträgt. Ein Druck unter 40 psi kann zu schwachem Fluss aus Armaturen führen, während ein Druck über 80 psi die sanitären Einrichtungen und Geräte beschädigen kann. Druckminderer und Druckmessgeräte für die Hausinstallation sind in psi kalibriert.

Sportgeräte

Sportgeräte basieren auf psi-Spezifikationen. Ein regulärer NFL-Fußball muss auf 12,5-13,5 psi aufgepumpt werden (der berühmte "Deflategate"-Skandal drehte sich um Fußbälle, die angeblich unter diesen Bereich aufgepumpt wurden). Ein NBA-Basketball sollte auf etwa 8 psi aufgepumpt werden. Ein regulärer FIFA-Fußball muss auf 8,5-15,6 psi aufgepumpt werden. Der Druck von Tennisbällen beträgt etwa 14 psi (ungefähr atmosphärisch) im Inneren der versiegelten Dose, weshalb geöffnete Dosen von Tennisbällen allmählich ihren Sprung verlieren, während sich der Innendruck ausgleicht.

Druckkochen

Beim Kochen arbeiten Schnellkochtöpfe bei spezifischen psi-Werten über dem atmosphärischen Druck. Ein herkömmlicher Herd-Schnellkochtopf arbeitet bei etwa 15 psi über dem atmosphärischen Druck (etwa 29,7 psia insgesamt), was den Siedepunkt von Wasser von 212°F (100°C) auf etwa 250°F (121°C) anhebt. Elektrische Schnellkochtöpfe wie der Instant Pot arbeiten typischerweise bei 10,15-11,6 psi. Diese Druckniveaus ermöglichen erheblich schnellere Kochzeiten — ein Schmorbraten, der 3-4 Stunden im Ofen benötigt, wird in einem Schnellkochtopf in etwa 60-90 Minuten gegart.

Materialwissenschaft und Bauingenieurwesen

In der Materialwissenschaft und im Bauingenieurwesen sind psi und sein Vielfaches ksi (Kilopfund pro Quadratzoll, gleich 1.000 psi) die Standardeinheiten zur Angabe mechanischer Eigenschaften in den Vereinigten Staaten. Die Streckgrenze von Baustahl (A36-Qualität) beträgt 36 ksi (ungefähr 248 MPa). Die Zugfestigkeit gängiger Aluminiumlegierungen reicht von 10-80 ksi (69-552 MPa). Die Druckfestigkeit von Beton wird häufig mit 3.000-6.000 psi (20,7-41,4 MPa) für Standardanwendungen angegeben, wobei hochleistungsfähiger Beton 10.000-20.000 psi erreicht. Diese Spezifikationen erscheinen in ASTM-Standards, ACI-Baucodes und AISC-Stahlbauhandbüchern in der gesamten US-Ingenieurpraxis.

In der Hydraulik und Pneumatik ist psi die grundlegende Einheit für das Systemdesign in der US-Industrie. Hydraulikpressen, die in der Metallbearbeitung eingesetzt werden, können Drücke von 5.000-10.000 psi erzeugen. Die hydraulischen Systeme von Flugzeugen arbeiten typischerweise bei 3.000 psi (Airbus- und Boeing-Standards), wobei einige militärische Flugzeugsysteme bei 5.000 oder 8.000 psi arbeiten. Pneumatische Systeme in Fertigungsanlagen arbeiten typischerweise bei 80-120 psi zur Betätigung von Werkzeugen, Aktuatoren und Automatisierungsgeräten. Die National Fluid Power Association (NFPA) und andere US-Industrieorganisationen veröffentlichen Standards, die in psi angegeben sind.

Öl- und Gasindustrie

Die Öl- und Gasindustrie ist möglicherweise der größte globale Nutzer von psi als wissenschaftlicher und technischer Einheit. Reservoirdrücke, fließende Bohrlochdrücke, Stillstandsdrücke und Bruchgradienten in Formationen werden alle in psi angegeben. Das Gewicht des Bohrschlamms wird in Pfund pro Gallone angegeben, übersetzt sich jedoch in hydrostatischen Druck in psi pro Fuß Tiefe (ungefähr 0,052 × Schlammgewicht in ppg = psi/ft). Abschluss- und Stimulationsingenieure arbeiten mit Behandlungsdrücken von 5.000-15.000 psi während hydraulischer Fracking-Operationen. Die Entwurfsdrücke für Pipelines reichen von einigen Hundert psi für Sammelleitungen bis über 1.400 psi für große Übertragungsleitungen. Da die USA der größte Öl- und Gasproduzent der Welt sind und eine dominante Kraft im Bereich der Ölserviceleistungen darstellen, durchdringt psi die globale Petroleumstechnik selbst in Ländern, die ansonsten metrische Einheiten verwenden.

Luft- und Raumfahrttechnik

In der Luft- und Raumfahrttechnik wird psi für die Kabinenpressurisierung verwendet (kommerziellen Flugzeugen halten einen Kabinendruckunterschied von etwa 8-9 psi aufrecht, was bedeutet, dass die Kabine auf etwa 8,5 psi über dem nahezu vakuumartigen äußeren Druck in Reiseflughöhe pressurisiert ist), für das Design von Druckbehältern in Raumfahrzeugen und für Drücke in Raketentriebwerken. Die Haupttriebwerke des Space Shuttle arbeiteten bei einem Kammerdruck von etwa 2.994 psi (20,64 MPa), und das Raptor-Triebwerk von SpaceX arbeitet bei etwa 3.600 psi (24,8 MPa), was zu den höchsten jemals in einem Produktionsraketentriebwerk erreichten Verbrennungskammerdrücken gehört.

United States

The United States is the primary global user of psi for everyday and industrial pressure measurement. Tire pressure, water pressure, blood pressure cuff calibration, industrial hydraulics, and pneumatics all use psi as the default unit. American pressure gauges, specifications, and technical documents predominantly use psi, and this convention extends to American-trained engineers and American-manufactured equipment worldwide.

United Kingdom

In the United Kingdom, a transitional situation exists. British tire pressure specifications are commonly given in both psi and bar, and many UK drivers understand both units. Industrial applications in the UK increasingly use bar or kilopascals, following European standards, but psi persists in certain sectors, particularly those with historical American influence or long-established British imperial conventions. UK weather reports express atmospheric pressure in millibars (hectopascals), not in psi or inches of mercury.

Continental Europe and Global Scientific Use

Continental Europe uses the bar as the primary consumer-facing pressure unit. Tire pressures on European vehicles are specified in bar (a typical car tire might be 2.2-2.5 bar, equivalent to 32-36 psi). Industrial standards from organizations like DIN (Germany) and AFNOR (France) use bar or pascal multiples. Scuba diving in Europe uses bar for cylinder pressure. Medical blood pressure readings use millimeters of mercury (mmHg) in both the US and Europe, representing one area where neither psi nor bar has taken hold. In scientific research globally, the pascal and its multiples (kPa, MPa, GPa) are the standard units, as mandated by SI. However, American engineering journals and technical publications routinely use psi and ksi, and international oil and gas industry publications often present pressure data in both psi and bar or kPa to serve their diverse readership.